JP5943341B2

JP5943341B2 - 単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法

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Publication number: JP5943341B2
Application number: JP2012042746A
Authority: JP
Inventors: 志村　考功; 考功志村; 渡部　平司; 平司渡部; 卓治細井
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: University of Osaka NUC
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013179200A

Description

本発明は、単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法および単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板に関する。

最先端のＳｉ−ＬＳＩではＭＯＳＦＥＴの微細化によってＳｉ−ＬＳＩの性能向上を達成してきたが、ＭＯＳＦＥＴの微細化の限界のため、キャリアが走行するチャネルに対して高移動度材料（Ｇｅや歪みＧｅ等）を用いる手法が検討されている。また、Ｓｉ−ＬＳＩのスイッチング素子だけでなく、Ｓｉ−ＬＳＩに光配線をチップレベルで導入することが検討されている。光配線の発光素子および受光素子の代表的な材料がＧｅである。Ｓｉ−ＬＳＩの更なる性能向上を実現するためには、Ｇｅ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＧＯＩ）構造が必要だが、ＧＯＩ構造の作製法に問題があり、新しい手法が求められている。

非特許文献１及び非特許文献２には、ＧＯＩ構造の新たな作製法として急速加熱液相エピタキシャル成長に関する技術が開示されている。さらに、特許文献１には、Ｇｅ基板上に薄膜単結晶ＧｅＳｎ層を多層に積み上げることで単結晶ＧｅＳｎ層を形成する技術が開示されている。

Ｔ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙs．Ｅｘｐｒｅｓｓ２（２００９）０６６５０２Ｓ．Ａｓｓｅｆａｅｔ．ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ４６４（２０１０）８０

特開２００８−２８８３９５号公報

しかしながら、非特許文献１及び非特許文献２に開示の技術では、Ｇｅの融点（９３８度）以上でＧｅ含有基板を熱処理する必要があった。高温による熱処理のため、採用し得る基板の材料が限定される。例えば樹脂基板やガラス基板は採用し得ない。また、特許文献１に開示の技術では、化学蒸着によって薄膜単結晶ＧｅＳｎ層を多層に積み上げるため、積層速度の高速化に限界があり、さらに作製された単結晶ＧｅＳｎ層には格子欠陥が多く存在する。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、Ｇｅ層やＳｉＧｅ層にＳｎを添加することでＧｅの歪み量を増加させること、Ｇｅ層やＳｉＧｅ層にＳｎを添加することで単結晶状ＧｅＳｎ含有層の成長温度を下げること、更には、単結晶状ＧｅＳｎ含有層の積層速度を高速化することを目的とする。

本発明による単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法は、保持基板に保持されたアモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を用意する用意工程と、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を加熱する加熱工程と前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を冷却する冷却工程とを包含する。

ある実施形態において、前記加熱工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料の融点温度以上にまで昇温することにより実行される。

ある実施形態において、前記加熱工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を前記アモルファス状ＧｅＳｎ材料の融点温度未満にまで昇温することにより実行される。

ある実施形態において、前記冷却工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を自然冷却することにより実行される。

ある実施形態において、前記冷却工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を一定速度で冷却することにより実行される。

ある実施形態において、前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実行される。

ある実施形態において、前記用意工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料の上にＳｉＯ₂層を積層する積層工程を包含する。

ある実施形態において、前記保持基板は、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、単結晶Ｇｅ／Ｓｉ基板、Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板のうちの１つである。

本発明の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板は、保持基板と、前記保持基板に保持された単結晶状ＧｅＳｎ含有材料であって、上記に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法によって製造された単結晶状ＧｅＳｎ含有材料とを備える。

ある実施形態において、前記単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の上にＳｉＯ₂層が積層されている。

本発明の実施形態における単結晶状ＧｅＳｎ層を含む単結晶状ＧｅＳｎ基板の模式図を示す。本発明の実施形態における単結晶状ＧｅＳｎ基板の製造方法を示すフローチャートである。単結晶状ＧｅＳｎ基板の断面ＴＥＭ像およびエネルギー分散型X線分析結果を示す。ＥＢＳＤを説明する図である。ＥＢＳＤの測定対象を説明する図である。単結晶状ＧｅＳｎ基板に含まれるＧｅＳｎ層およびアモルファス状ＧｅＳｎ基板に含まれるＧｅＳｎ層の分析結果を示す。単結晶状ＧｅＳｎ基板に含まれた単結晶状ＧｅＳｎ層のＥＢＳＤの測定結果を示す。各種基板に積層されたＧｅＳｎ層（又はＳｉＧｅＳｎ層）を対象とするＸＲＤ結果を示す。様々な温度で熱処理されたＧｅＳｎ層（又はＳｉＧｅＳｎ層）を対象とするＸＲＤ結果を示す。様々な温度保持時間を導入して熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とする分析結果を示す。本発明によるＴＦＴ製造工程を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

[単結晶状ＧｅＳｎ層]
図１は、本発明の実施形態における単結晶状ＧｅＳｎ層１２０を含む単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の模式図を示す。単結晶状ＧｅＳｎ基板１００は、保持基板１１０と単結晶状ＧｅＳｎ層１２０とＳｉＯ₂層１３０とを含む。保持基板１１０は、Ｓｉ基板１１０ａと単結晶Ｇｅ層１１０ｂとを含み、単結晶Ｇｅ層１１０ｂはＳｉ基板１１０ａの上に積層されている。単結晶状ＧｅＳｎ層１２０は単結晶Ｇｅ層１１０ｂの上に積層されている。さらに、ＳｉＯ₂層１３０は単結晶状ＧｅＳｎ層１２０の上に積層されている。

本発明の実施形態において、保持基板１１０はＳｉ基板１１０ａと単結晶Ｇｅ層１１０ｂとを含むことに限定されない。単結晶状ＧｅＳｎ層１２０が保持基板１１０の上に積層され得る限りは、例えば、保持基板１１０は、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板のうちの１つであり得る。Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板においては、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ₂層が積層され、ＳｉＯ₂層の上にＳｉ層が積層される。

さらに、本発明の実施形態において、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００は単結晶状ＧｅＳｎ含有層１２０を備えるだけでなく、単結晶状ＧｅＳｎ含有層１２０に代替して単結晶状ＳｉＧｅＳｎ含有層を備え得る。単結晶状ＳｉＧｅＳｎ含有層を備えた基板は、単結晶状ＳｉＧｅＳｎ基板として機能する。

さらにまた、本発明の実施形態において、ＳｉＯ₂層１３０を含むことに限定されない。保持基板１１０の上に単結晶状ＧｅＳｎ含有層１２０が積層されている限りは、ＳｉＯ₂層１３０は必須ではない。更に、保持基板１１０も必須ではない。

[単結晶状ＧｅＳｎ基板製造方法]
図２は、本発明の実施形態における単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ３０２、ステップＳ３０４を実行することによって、アモルファス状ＧｅＳｎ基板２００から単結晶状ＧｅＳｎ基板１００が製造される。アモルファス状ＧｅＳｎ基板２００は、保持基板１１０とアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０とＳｉＯ₂層１３０とを含む。アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０は保持基板１１０の上に積層されている。さらに、ＳｉＯ₂層１３０はアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の上に積層されている。

以下、ステップＳ３０２及びステップＳ３０４を説明する。

ステップＳ３０２：保持基板１１０に保持されたアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を用意する。

ステップＳ３０２は、アモルファス状ＧｅＳｎ基板２００を用意することで実行し得るが、保持基板１１０の上にアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を積層し、更にアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の上にＳｉＯ₂層１３０を積層する工程によっても実行され得る。

ステップＳ３０２を実行した後に、ステップＳ３０４を実行する。

ステップＳ３０４：アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を加熱し、さらに、加熱したアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を冷却する。

アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０への加熱は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０をアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の融点温度以上にまで昇温することにより実行されるが、昇温温度は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の融点温度未満でもあり得る。昇温スピードは特に限定されないが、例えば、一定速度（例えば、２０℃／ｓｅｃ）であり得る。

加熱したアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０への冷却は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を自然冷却することにより実行されるが、一定速度（例えば、２０℃／ｓｅｃ）で冷却することでも実行され得る。

アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０をアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の融点温度以上にまで昇温した後、一定時間温度保持した後に、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を冷却し始める。なお、温度保持時間は、例えば１〜２分であるが、温度を一定時間保持することなくアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を冷却し始めることができる。

なお、加熱・冷却は、不活性ガス雰囲気中（例えばＮ₂ガス中）で行い得る。

ステップＳ３０４を実行することでアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０が単結晶状ＧｅＳｎ層１２０に結晶化され、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の製造が完成する（ステップＳ３０６）。

[単結晶状ＧｅＳｎ基板のＴＥＭ像]
図３は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の断面ＴＥＭ像およびエネルギー分散型X線分析（ＥＤＸ：ＥｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）結果を示す。図３で示した単結晶状ＧｅＳｎ基板１００として、Ｓｉ基板１１０ａ上に６４ｎｍ厚のＧｅ層１１０ｂをエピタキシャル成長させたものを用いた。分子線エピタキシー装置を用いて、アモルファス状Ｇｅ_1-xＳｎ_x層を室温で８２ｎｍ蒸着し、さらにスパッタ法にてキャップＳｉＯ₂層１３０を１００ｎｍ成膜させた。さらに、Ｎ₂雰囲気中で８００℃まで加熱し、１分間温度保持した後、室温にまで自然冷却した。初期Ｓｎ組成は６％であった。

図３（ａ）は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の断面ＴＥＭ像を示す。図３（ｂ）は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００の単結晶状ＧｅＳｎ層１２０とＳｉＯ₂層１３０との積層部分の断面ＴＥＭ像を示す。図３（ｃ）は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００のＳｉ基板１１０ａとＧｅ層１１０ｂとの積層部分の断面ＴＥＭ像を示す。Ｇｅ_1-xＳｎ_x（ｘ＝０．０６）の融点（９１０℃）よりも十分低い温度（８００℃）での加熱処理にも関わらず、良好な結晶性を持つ単結晶Ｇｅ_1-xＳｎ_x層が形成されていることがわかる。

図３（ｄ）は、単結晶状ＧｅＳｎ層１２０のＥＤＸ結果を示す。ＥＤＸ結果からＧｅ_1-xＳｎ_xのＳｎ組成は２．４％程度であることが確認できた。

[ＧｅＳｎ層の測定・評価]
単結晶状ＧｅＳｎ基板１００に含まれるＧｅＳｎ層およびアモルファス状ＧｅＳｎ基板２００に含まれるＧｅＳｎ層をＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析、および電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって測定し、評価した。以下、図４〜図１０を参照して、ＧｅＳｎ層の測定・評価の内容を説明する。

図４は、ＥＢＳＤを説明する図である。測定原理は以下のとおりである。試料１に電子線２を照射すると、試料表面で生じる電子線後方散乱回折により菊池線回折図形すなわちＥＢＳＤパターン３が観測される。得られたＥＢＳＤパターン３を解析することにより結晶方位を測定することができる。試料１の表面を電子線で走査することによって、試料１の表面の結晶方位分布を得る。

図５は、ＥＢＳＤの測定対象を説明する図である。測定対象は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００に含まれる単結晶状ＧｅＳｎ層１２０である。始めに単結晶状ＧｅＳｎ基板１００を用意した（図５（ａ）参照）。次に、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００からＳｉＯ₂層１３０をフッ酸でエッチングし、単結晶状ＧｅＳｎ層１２０を露出させた（図５（ｂ）参照）。次にＥＢＳＤにより単結晶状ＧｅＳｎ層１２０の表面の結晶性を評価した（図５（ｃ）参照）。測定対象（単結晶状ＧｅＳｎ層１２０）から得られたＥＢＳＤパターンを解析することによって、測定対象の結晶方位を測定することができた。

図６は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００に含まれるＧｅＳｎ層およびアモルファス状ＧｅＳｎ基板２００に含まれるＧｅＳｎ層の分析結果を示す。

図６（ａ）は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０に含まれるＧｅＳｎ層の分析結果を示す。図６（ａ１）はＸＲＤ結果を示し、図６（ａ２）はＸＰＳ分析結果を示し、図６（ａ３）はＥＢＳＤ結果を示す。ＸＲＤ結果によれば、単結晶Ｇｅ層のピーク強度がＧｅＳｎ層を積層する前と比べて変化していないということからＧｅＳｎ層がアモルファス状であることが確認できた。ＥＢＳＤ結果によって、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０に含まれるＧｅＳｎ層はアモルファス状であることが確認できた。

図６（ｂ）は、単結晶状ＧｅＳｎ層１２０に含まれるＧｅＳｎ層の分析結果を示す。単結晶状ＧｅＳｎ層１２０は、昇温８００℃、保持時間１分間の処理後の層であり、図３を参照して説明した単結晶状ＧｅＳｎ層１２０と同一対象である。図６（ｂ１）はＸＲＤ結果を示し、図６（ｂ２）はＸＰＳ分析結果を示し、図６（ｂ３）はＥＢＳＤ結果を示す。ＸＲＤ結果によれば、図６（ａ１）と比較して、ピーク強度が強くなっているということからＧｅＳｎ層が単結晶状であることが確認できた。ＥＢＳＤ結果によって、単結晶状ＧｅＳｎ層１２０に含まれるＧｅＳｎ層が単結晶状であることが確認できた。

図６（ｂ１）において、ＸＲＤ結果はＸ線逆格子マップで示される。図６（ｂ３）において、ＧｅＳｎ層は（００１）面を有していることが確認できた。なお、図３（ｄ）からＳｎ組成は２．４％程度と見積もることができる。

単結晶状ＧｅＳｎ層１２０に含まれるＧｅＳｎ層の分析結果により、Ｇｅ_1-xＳｎ_x（ｘ＝０．０６）の融点は９１０℃であり、融点よりも極めて低い温度での短時間熱処理でエピタキシャル成長を確認することができた。

図７は、単結晶状ＧｅＳｎ基板１００に含まれた単結晶状ＧｅＳｎ層１２０のＥＢＳＤの測定結果を示す。具体的には、単結晶状Ｇｅ／Ｓｉ基板に含まれたＧｅＳｎ層と単結晶状Ｇｅ基板に含まれたＧｅＳｎ層とを対象として、熱処理前のアモルファス状ＧｅＳｎ層の初期Ｓｎ組成、熱処理温度、熱処理時間及び熱処理後のＧｅＳｎ層の表面の結晶性を示す。

図７において、得られた結晶方位分布を色分けして示している。同じ色であるということは同じ結晶方位であることを示しており、図７はモノクロデータであり、黒色は（００１）面であることを示している。エピタキシャルＧｅ／Ｓｉ基板及びＧｅ基板のいずれも（００１）面を有しており、ＧｅＳｎ層で黒色を示しているということはＧｅＳｎ層も基板と同じ（００１）面を有しており、ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶として結晶化したことが確認できる。

初期Ｓｎ組成が６％の場合、エピタキシャルＧｅ／Ｓｉ基板及びＧｅ基板のいずれも５５０℃、１ｍｉｎの熱処理でＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長しており、５００℃以下ではアモルファス構造のままであることが確認できる。しかしながら、初期Ｓｎ組成を１３％にすると５００℃、１ｍｉｎの熱処理でもＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長している。これは、初期Ｓｎ組成を増加させることにより、さらに低温でのエピタキシャル成長ができることを示している。

図８は、各種基板に積層されたＧｅＳｎ層（又はＳｉＧｅＳｎ層）を対象とするＸＲＤ結果を示す。図８（ａ）は単結晶Ｇｅ／Ｓｉ基板に積層されたＳｉＧｅＳｎ層（８００℃での熱処理）を対象とするＸＲＤ結果であり、図８（ｂ）は、Ｓｉ基板に積層されたＳｉＧｅＳｎ層（８００℃での熱処理）を対象とするＸＲＤ結果であり、図８（ｃ）は、Ｇｅ基板に積層されたＧｅＳｎ層（６００℃での熱処理）を対象とするＸＲＤ結果であり、図８（ｄ）は、Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板に積層されたＳｉＧｅＳｎ層（８００℃での熱処理）を対象とするＸＲＤ結果である。ＥＢＳＤの測定結果をも参照して、ＧｅＳｎ層やＳｉＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認した。

図９は、様々な温度で熱処理して形成されたＧｅＳｎ層（又はＳｉＧｅＳｎ層）を対象とするＸＲＤ結果を示す。保持基板は単結晶Ｇｅ／Ｓｉ基板であり、熱処理時における温度保持時間は１分間である。

図９（ａ）は、９２８℃で熱処理して形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果である。更に、ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＳｉＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図９（ｂ）は、８００℃で熱処理して形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果である。図３を参照して説明した単結晶状ＧｅＳｎ層１２０と同一対象である。図３（ｄ）からＳｎ組成は２．４％程度と見積もることができる。更に、ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＳｉＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図９（ｃ）は、７００℃で熱処理して形成されたＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果であり、この反射の位置からＳｎ組成は３．０％程度と見積もることができた。更に、ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図９（ｄ）は、６００℃で熱処理して形成されたＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果であり、この反射の位置からＳｎ組成は３．２％程度と見積もることができた。更に、ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図９（ｅ）は、５５０℃で熱処理して形成されたＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果であり、この反射の位置からＳｎ組成は３．６％程度と見積もることができた。更に、ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０への加熱は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０をアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の融点温度以上にまで昇温することにより実行されるが、図９を参照すれば、昇温温度は、アモルファス状ＧｅＳｎ層２２０の融点温度未満でもあり得ることを確認できる。

図１０は、様々な温度保持時間を導入して熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とする分析結果を示す。保持基板は単結晶Ｇｅ／Ｓｉ基板であり、熱処理温度は９２８度である。

図１０（ａ１）は、昇温終了後から冷却開始までの温度保持時間が１分間で熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果であり、図１０（ａ２）は、温度保持時間が１分間で熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＰＳ結果である。ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＳｉＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図１０（ｂ１）は、昇温終了後から冷却開始までの温度保持時間が０分間（温度保持時間なし）で熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＲＤ結果であり、図１０（ｂ２）は、温度保持時間が０分間で熱処理形成されたＳｉＧｅＳｎ層を対象とするＸＰＳ結果である。ＥＢＳＤの測定結果をも参照すればＳｉＧｅＳｎ層は（００１）面を有しており、アモルファス状ＧｅＳｎ層がエピタキシャル成長により単結晶化したことを確認できた。

図１０を参照すれば、温度保持時間は、例えば１〜２分であるが、温度保持することなくアモルファス状ＧｅＳｎ層２２０を冷却し始め得ることが確認できる。

以上、図１〜図１０を参照して、本発明による単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法および単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板を説明した。本発明による単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法および単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板によれば、Ｇｅ層にＳｎを添加することでＧｅの歪み量を増加させること、Ｇｅ層にＳｎを添加することで単結晶ＧｅＳｎ層の成長温度を下げること、更には、単結晶ＧｅＳｎ層の積層速度を高速化することが可能になる。Ｓｎの融点は２３２℃で、ＳｉやＧｅに混ぜることにより成長の低温化を促進している。また、一般にはＳｉやＧｅに対するＳｎの固溶度は１％以下であるが、室温でアモルファス状態で混ぜることにより高濃度のＧｅＳｎを形成することができ、また、急速加熱処理によりＳｎの析出前に成長を行い得る。

本発明はＳｉ層またはＧｅ基板上にＳｎ添加アモルファスＧｅ層を堆積後、急速昇温熱処理により単結晶ＳｉＧｅＳｎまたは単結晶ＧｅＳｎを形成する方法である。Ｓｎを添加することによりＳｉＧｅＳｎやＧｅＳｎの融点以下の熱処理で単結晶層を形成する点が従来技術と比べ新しく、革新的である。

なお、本発明において、単結晶状ＧｅＳｎ基板や単結晶状ＳｉＧｅＳｎ基板は、単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板として機能する。また、単結晶状ＧｅＳｎ層や単結晶状ＳｉＧｅＳｎ層は単結晶状ＧｅＳｎ含有材料として機能する。さらに、アモルファス状ＧｅＳｎ層やアモルファス状ＳｉＧｅＳｎ層はアモルファス状ＧｅＳｎ含有材料として機能する。更にまた、単結晶状ＧｅＳｎ基板の製造方法は単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法として機能する。

本発明は、様々な工業分野に適用可能である。以下、図１１を参照して、本発明の適用例の一部を説明する。

[適用例１：ＭＯＳＦＥＴの製造]
ＧＯＩ構造の新たな作製法として急速加熱液相エピタキシャル成長に関する技術があるが、Ｇｅの融点（９３８度）以上でＧｅ含有基板を熱処理する必要があった。しかし、本発明の実施形態によれば、７００℃以下でＧｅ含有基板を熱処理し得るという基板処理の低温化が可能となる。

本発明による単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法および単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板は、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン（歪みＧｅをチャンネルとする）、あるいは、ＭＯＳＦＥＴのチャンネル自体に適用し得る。

[適用例２：ＴＦＴの製造]
ディスプレイの大型化、高機能化のため、ディスプレイで用いられるＴＦＴの高性能化が求められている。ガラス基板上に形成したＳｉやＧｅの結晶化のために様々な手法が検討されているが、単結晶化には至っていない。本発明による単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法および単結晶状ＧｅＳｎ含有材料基板によれば、低温化が可能となりガラス基板上に単結晶ＧｅＳｎを形成することが可能でＴＦＴの大幅な高性能化を実現できる。本発明により作製された単結晶状ＧｅＳｎ含有材料は、TFTのソース・ドレインやＴＦＴのチャンネルに適用し得る。

図１１は、本発明によるＴＦＴ製造工程を示す。始めに、ガラス基板４０２上にゲート電極４０４及びゲート絶縁膜４０６を形成する（（ａ）参照）。次に、インプリントによりガラス基板４０２上にｓｅｅｄ４０８を形成する（（ｂ）参照）。次に、アモルファス状ＧｅＳｎ層４１０を積層する（（ｃ）参照）。次に、アモルファス状ＧｅＳｎ層４１０をパターニングする（（ｄ）参照）。次にＳｉＯ₂層４１２を積層する。さらに加熱、冷却することでパターニングしたアモルファス状ＧｅＳｎ層４１０から単結晶状ＳｉＧｅＳｎ層４１４（単結晶状ＧｅＳｎ含有材料）を作製する（（ｅ）参照）。最後に、単結晶状ＳｉＧｅＳｎ層４１２からソース電極４１６とドレイン電極４１８とを形成する（（ｆ）参照）。ガラス基板４０２上にｓｅｅｄ４０８を形成し、アモルファス状ＧｅＳｎ層４１０とＳｉＯ₂層４１２とを形成後、本発明の急速加熱処理を施すことで、基板面内への結晶成長が促される。

[適用例３：太陽電池の製造]
本発明により作製された単結晶ＳｉＧｅＳｎ（単結晶状ＧｅＳｎ含有材料）は、太陽電池の光吸収層に適用し得る。例えば、本発明の単結晶ＳｉＧｅＳｎを用いた４層接合型太陽電池は、次の工程を実施することで製造される。４層は、例えば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＳｉＧｅＳｎ／Ｇｅである。始めにＧｅ基板上にアモルファス状ＳｉＧｅＳｎを成膜する。次にＳｉＯ₂層（キャップ層）を形成後、急速加熱処理により結晶成長を行う。次に、ＳｉＯ₂層を剥離し、ＭＯＣＶＤでＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓを積層する。

本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴ、ＴＦＴ、太陽電池などの様々な工業分野に利用可能である。

１００単結晶状ＧｅＳｎ基板
１１０保持基板
１２０単結晶状ＧｅＳｎ層
１３０ＳｉＯ２層
２００アモルファス状ＧｅＳｎ基板
２２０アモルファス状ＧｅＳｎ層

Claims

単結晶状ＧｅＳｎ含有材料を製造する製造方法であって、
物理成膜法により、Ｇｅ及びＳｎ、あるいはＧｅ、Ｓｎ及びＳｉを保持基板上に蒸着させて、前記保持基板にアモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を保持させる用意工程と、
Ｇｅの融点よりも低い所定温度まで前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を昇温する加熱工程と、
前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を冷却する冷却工程と、
を包含し、集光ランプアニール処理を実施することなく、Ｓｎが析出する前に前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を結晶化して、前記単結晶ＧｅＳｎ含有材料を製造する、単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記加熱工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料の融点温度以上にまで昇温することにより実行される、請求項１に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記加熱工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料の融点温度未満にまで昇温することにより実行される、請求項１に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記冷却工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を自然冷却することにより実行される、請求項１〜請求項３のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記冷却工程は、前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料を一定速度で冷却することにより実行される、請求項１〜請求項３のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で実行される、請求項１〜請求項５のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記用意工程は、
前記アモルファス状ＧｅＳｎ含有材料の上にＳｉＯ₂層を積層する積層工程を包含する、請求項１〜請求項６のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記保持基板は、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、単結晶Ｇｅ／Ｓｉ基板、Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板のうちの１つである、請求項１〜請求項７のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。
前記用意工程では、分子線エピタキシー装置を用いて、Ｇｅ及びＳｎ、あるいはＧｅ、Ｓｎ及びＳｉを蒸着させる、請求項１〜請求項８のうちの１項に記載の単結晶状ＧｅＳｎ含有材料の製造方法。